Турбореактивний термоядерний двигун

Реферат: UA 96500 U UA 96500 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до пристроїв для здійснення реакції термоядерного синтезу та перетворення отриманої теплоти в роботу. Галуззю техніки, в якій даний пристрій використовується, є авіаційний транспорт. Найближчим аналогом є турбореактивний двигун із трубчастими камерами згоряння та термоядерний двигун внутрішньої реакції, опис якого надано в національній (заявка № а 2013 10681, від 05.09.2013, опубл. 25.12.2013 Р.). Недоліком турбореактивних двигунів є велике споживання дорогого вуглеводневого палива. Перевагою термоядерного двигуна внутрішній реакції є мале споживання дейтерію, який практично повністю витрачається за рахунок замкнутого циклу двигуна. Але в замкнутому циклі міститься і головний недолік двигуна. Відпрацьовану в циліндрі газову суміш необхідно охолоджувати. Чим більша потужність двигуна, тим більшу площу поверхні повинен мати радіатор, тим важче буде цей радіатор та тим більший об'єм він буде займати. При оснащенні літального апарата термоядерним двигуном внутрішньої реакції, в наслідок великої ваги та об'єму радіатора, комерційна загрузка та швидкість літального апарата буде невеликою. В основу корисної моделі поставлено задачу побудови такого авіаційного двигуна, який би мав позитивними якостями обох двигунів. Технічним результатом є створення авіаційного двигуна з великою силою тяги, малою площею поперечного перерізу, конструкція якого не буде містити громіздкого кривошипношатунного механізму та важкого радіатора, а також буде обходитися без використання дорогого вуглеводневого пального. Технічний результат досягається тим, що після здійснення реакції термоядерного синтезу між атомами дейтерію, енергія, що виділилась, передається попередньо стиснутому атмосферному повітрю, в наслідок чого буде збільшуватися його температура та об'єм, що дозволить даній газовій суміші здійснювати роботу. Поставлена задача вирішується тим, що турбореактивний двигун замість трубчастих камер згоряння оснащено лазерними трансформаторами, керамічні ізолятори катодів яких оснащено отворами для потрапляння стиснутого повітря до внутрішньої порожнини робочого тіла лазерного трансформатора, всередині якої знаходиться трубчаста частина керамічного ізолятора, всередині якої знаходиться отвір для підводу суміші дейтерію та гідрогену та катод з розігрівом, а також анод, який знаходиться між трубчастою частиною керамічного ізолятору та пристроєм заломлюючим, оснащеним отвором для виходу розігрітого, в наслідок реакції термоядерного синтезу, повітря. Для того, щоб підтвердити можливість побудови турбореактивного термоядерного двигуна та його працездатності, надамо опис двигуна в статичному стані та опишемо принцип його дії. Спочатку надамо опис пристрою для здійснення реакції термоядерного синтезу, яке являє собою лазерний трансформатор 24, зображений в розрізі на Фіг. 1. На даному кресленні лазерний трансформатор зображено, в розрізі, вже змонтованим на посадочних фланцях 18 та 19 відсіку лазерного трансформатора 30. Лазерний трансформатор 24, Фіг. 1, складається із рубінового циліндра 1, дзеркала фотоелементів у вигляді шайби 2, дзеркала пристрою заломлюючого у вигляді шайби 3, декількох паралельно з'єднаних фотоелементів 4, пристрою заломлюючого 5, керамічного ізолятора 6, катода із розігрівом 7, отвору 10 для підводу суміші дейтерію та гідрогену, ламп накачки лазера 8, корпусу 12, світлонепроникного ущільнення 11, яке запобігає потраплянню світла від ламп накачки лазера 8 на фотоелементи 4, анод 9, вставки із вогнестійкої кераміки 21, притискного фланцю 23, ущільнюючих прокладок 22. Оскільки тиск у внутрішній порожнині робочого тіла лазерного трансформатора 25, де буде відбуватися реакція термоядерного синтезу, буде значно більше, ніж тиск у відсіку лазерного трансформатора 30, то між притискним фланцем 23 та керамічним ізолятором 6, керамічним ізолятором 6 та рубіновим циліндром 1, рубіновим циліндром 1 та пристроєм заломлюючим 5 також ставляться ущільнюючи прокладки 22, які, у своїй більшості, на Фіг. 1 не зображені, а зображені на Фіг. 2. Пристрій заломлюючий 5 суттєво відрізняється від пристрою заломлюючого, опис якого надано в національній заявці а 2013 10681. Відбиваючою поверхнею у даному пристрої заломлюючому 5 буде поверхня 13, яка є поверхнею параболоїда обертання і яка вкрита дзеркальним покриттям. Відбиті від поверхні 13 промені лазерного випромінювання, Фіг. 1, повинні попасти із внутрішньої частини пристрою заломлюючого 5 в фокус параболоїда обертання, який знаходиться всередині внутрішньої порожнини робочого тіла лазерного трансформатора 25, не змінив напрямку свого руху. Для цього поверхня 14 пристрою заломлюючого 5 виготовлена у вигляді частини поверхні сфери, центр якої співпадає із фокусом параболоїда обертання. На Фіг. 1 стрілками зображено рух лазерного випромінювання всередині пристрою заломлюючого 5 та у внутрішній порожнині робочого тіла лазерного трансформатора 25. 1 UA 96500 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 На Фіг. 1 також зображено кріплення лазерного трансформатора 24 у відсіку лазерного трансформатора 30. Дане кріплення виготовлено як із розрахунком забезпечення герметичного з'єднання, так із розрахунком забезпечення можливості заміні лазерного трансформатора без розбирання двигуна та із мінімальною витратою часу. Коли лазерний трансформатор не змонтовано у відсіку лазерного трансформатора 30, перед монтажем, відстань між фланцями самого трансформатора на декілька міліметрів менша за відстань між фланцем турбіни 19 та фланцем компресора 18. Це зроблено для того, щоб лазерний трансформатор 24 вільно вставлявся між фланцями 19 та 18. Після того, як трансформатор вставлено, наживлюються усі болти та затягуються болти зі сторони фланця турбіни 19. Потім затягують болти зі сторони фланця компресора 18. При цьому сам фланець 18, завдяки гофрованій мембрані 20, до якої його приварено, починає притягуватися до фланця лазерного трансформатора. Таке кріплення забезпечує герметичність з'єднання. Синхронізація потрапляння у фокус параболоїда обертання перших негативно заряджених 6 іонів дейтерію, які мають швидкість приблизно 10 метрів за секунду, одночасно із першими променями лазерного випромінювання забезпечується у процесі виготовлення дзеркал у вигляді шайб 2 та 3, які у збільшеному вигляді, разом із частинами циліндра 1, зображені на Фіг. 2. Кожне із даних дзеркал, 2 та 3, має як напівпрозоре, так і звичайне дзеркальне покриття. Дані покриття також мають вигляд шайб. Дзеркало фотоелементів у вигляді шайби 2, Фіг. 2, має напівпрозоре дзеркальне покриття у вигляді шайби 15 та звичайне покриття у вигляді шайби 17. Площа покриття у вигляді шайби 15 буде у декілька разів менше площі покриття у вигляді шайби 17. Це пов'язано із тим, що на катоди фотоелементів 4 повинна потраплять в декілька разів менша кількість фотонів, ніж у фокус параболоїда обертання. Дзеркало пристрою заломлюючого у вигляді шайби 3 має напівпрозоре дзеркальне покриття у вигляді шайби 16 та звичайне дзеркальне покриття у вигляді шайби 27. Розміри покриттів 27 та 15 однакові між собою. Розміри покриттів 17 та 16 також однакові між собою. Товщини непрозорих дзеркальних покриттів 17 та 27 однакові. Товщини напівпрозорих дзеркальних покриттів 15 та 16 різні. Товщина покриття 15 менше товщини покриття 16, щоб лазерне випромінювання попало на катоди фотоелементів 4 раніше, ніж у пристрій заломлюючий 5. Товщини покриттів 15 та 16 визначаються експериментальним шляхом, для того щоб перші 6 негативно заряджені іони дейтерію, які мають швидкість приблизно 10 метрів за секунду, потрапили у фокус параболоїда обертання одночасно із першими променями лазерного випромінювання. Як видно із Фіг. 1 та Фіг. 2, внутрішня частина рубінового циліндра 1 не приймає участі у випромінюванні лазерних променів, оскільки у поглиблення на торцях цієї внутрішньої частини, крізь прокладки 22, впираються пристрій заломлюючий 5 та керамічний ізолятор 6, тому рубіновий циліндр складається із одного матеріалу, оксиду алюмінію, але його зовнішня частина містить атоми хрому, а внутрішня частина 26 атоми хрому не містить. Умовна границя між цими частинами, на Фіг. 2, позначена пунктирною лінією. Стрілками на Фіг. 2 позначено рух лазерних промінів всередині та біля рубінового циліндра 1. Будову турбореактивного термоядерного двигуна зображено на Фіг. 3, Фіг. 4, Фіг. 5. Для отримання цілісного креслення турбореактивного термоядерного двигуна Фіг. 3 необхідно розрізати по А-А, Фіг. 4 розрізати по А-А та В-В, Фіг. 5 розрізати по В-В та послідовно з'єднати між собою. На цих кресленнях зображено: генератор 28, осьовий компресор 29, відсік лазерного трансформатора 30, люк відсіку лазерного трансформатора 31, газова турбіна 32, реактивне сопло 33, вхідний дифузор осьового компресора 34, вхідний дифузор лазерного трансформатора 35, простір перед дифузором 36. Крім того кожний лазерний трансформатор комплектується високовольтним конденсатором, який забезпечує іскровий розряд між катодом та анодом, конденсаторами ламп накачки лазеру, баком із сумішшю важкої та звичайної води, електролізним апаратом, компресором для стискування суміші дейтерію та гідрогену, ресивером для зберігання суміші дейтерію та гідрогену, газовим редуктором із механізмом регулювання, краном, який розташовано між редуктором та ресивером. Всі ці пристрої на кресленнях не позначені. Газовий редуктор слугує для того, щоб на всіх режимах роботи двигуна тиск у внутрішній порожнині керамічного ізолятора 6, де розташовано катод із розігрівом 7 та отвір для підводу суміші гідрогену та дейтерію 10, був на декілька сантиметрів водяного стовпа більше, ніж тиск у внутрішній порожнині робочого тіла лазерного трансформатора 25. Такий невеликий, але точно витриманий перепад тисків потрібен як для запобігання перевитрати суміші гідрогену та дейтерію, так і для запобігання потрапляння 2 UA 96500 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 атмосферного повітря у внутрішню порожнину керамічного ізолятора 6. Даний перепад тисків автоматично збільшується зі збільшенням кількості оборотів двигуна в одиницю часу. Турбореактивний термоядерний двигун працює наступним чином. Кран газового редуктора закрито. Включають електролізний апарат та компресор, який стискує утворену суміш гідрогену та дейтерію. Ресивер заповнюється сумішшю гідрогену та дейтерію, в який на один атом дейтерію припадає тридцять атомів гідрогену. Тиск в ресивері досягає десяти кілограмів на квадратний сантиметр. Після цього починають заряджати високовольтний конденсатор та конденсатори ламп накачки лазера. Включають розігрів катода 7 та стартером, на кресленнях не позначено, починають провертати вал турбіни та компресора та відкривають кран газового редуктора. Після цього на підпалюючі електроди ламп накачки лазера подають напругу, вони спалахують та здійснюють накачку робочого тіла лазера. В наслідок даної накачки рубінового циліндра 1 спочатку крізь напівпрозоре дзеркало 15 частина випромінювання потрапляє на катоди фотоелементів 4, до яких приєднана негативно заряджена клема високовольтного конденсатора. Фотоелементи пропускають струм, завдяки чому між катодом із розігрівом 7 та анодом 9 відбувається потужний іскровий розряд. В наслідок цього розряду утворюються негативно заряджені іони гідрогену та дейтерію. /Габович М. Д. Физика и техника плазменых источников ионов. - М.: Атомиздат, 1972/. Під дією електричного поля між катодом та анодом та електронів, що рухаються від катода до анода, негативно заряджені іони гідрогену та дейтерію починають рухатися від катода до анода. При цьому негативно заряджені іони гідрогену, оскільки вони у два рази легше за іони дейтерію, рухаються до анода значно швидше, ніж іони дейтерію, які відстають. Іони, разом із електронами, рухаються вздовж трубчастої частини керамічного ізолятора 6 та потрапляють у внутрішню порожнину робочого тіла лазерного трансформатора 25. Коли перші негативно заряджені іони дейтерію, які мають швидкість 6 приблизно 10 метрів за секунду, попадають у фокус параболоїда обертання, частина цих негативно заряджених іонів дейтерію піддається дії імпульсу лазерного випромінювання, яке пройшло крізь напівпрозоре дзеркало 16, пристрій заломлюючий 5, поверхню сфери 14 та попало у фокус параболоїда обертання. В наслідок дії на частину негативно заряджених іонів дейтерію лазерного випромінювання, ця частина іонів змінює напрямок свого руху на протилежний, наближається до основної маси негативно заряджених іонів дейтерію на відстань -15 приблизно 10 метра та вступає із ними у реакцію термоядерного синтезу. Енергія, яка виділилася в наслідок термоядерної реакції, що відбулася у внутрішній порожнині робочого тіла лазерного трансформатора 25, використовується для розігріву стиснутого повітря, яке там знаходиться. Температура та об'єм стиснутого повітря збільшуються, що дозволяє йому, проходячи крізь отвір у вставці із вогнестійкої кераміки 21, обертати газову турбіну 32. Оскільки осьовий компресор 29 обертається, він продовжує нагнітати у внутрішню порожнину робочого тіла лазерного трансформатора 25 атмосферне повітря. Після цього знов заряджаються конденсатори, здійснюється спалах ламп та накачка лазера та реакція термоядерного синтезу здійснюється знову. Потужність двигуна збільшується шляхом збільшення кількості спалахів лазера в одиницю часу. Такі саме процеси відбуваються у кожному лазерному трансформаторі, якими оснащено двигун. На Фіг. 6 зображено розріз турбореактивного термоядерного двигуна по С-С. Даний двигун оснащено трьома лазерними трансформаторами 24, Відповідно двигун має три відсіку лазерних трансформаторів 30, кожний із яких оснащено люком відсіку лазерного трансформатора 31 для монтажу та демонтажу лазерного трансформатора. Один із люків зображено у напіввідкритому стані. Турбореактивні термоядерні двигуни будуть оснащуватися двома або трьома, або чотирма, або шістьома лазерними трансформаторами 24. Найбільш раціональними є двигуни, оснащені або чотирма, або шістьома лазерними трансформаторами. На Фіг. 7 зображено розріз двигуна по D-D, але двигуна, який оснащено не трьома, а шістьома лазерними трансформаторами. Двигун зображено у злітному режимі. У просторі перед дифузорами 36 даного двигуна розташована заслінка дифузорів лазерних трансформаторів 37. Як видно із Фіг. 7 дана заслінка має форму, схожу із формою шайби, має отвір у центрі, три круглих та три продовгуватих отвори, а на зовнішній частині має зубці, які схожі на зубці маховика автомобільного двигуна. Заслінка дифузорів лазерних трансформаторів 37 є веденою шестірнею, яку приводять у рух три провідні шестірні 38, кожна із яких через окремий редуктор з'єднана із власним електродвигуном. На Фіг. 7 двигун зображено у злітному режимі, коли двигуну потрібно розвити повну потужність. Заслінка дифузорів лазерних трансформаторів 37 знаходиться в положенні, при якому стиснуте у компресорі повітря потрапляє у кожний із шістьох лазерних трансформаторів і в кожному із шістьох лазерних трансформаторів відбуваються реакції термоядерного синтезу. 3 UA 96500 U 5 10 15 20 25 30 Коли літальний апарат досягає висоти вісім тисяч метрів, необхідність у розвитку двигуном максимальної потужності відпадає. На три електродвигуна, які через окремі редуктори з'єднані із трьома провідними шестернями 38, подають напругу. Вони приводять до руху шестерні 38, які починають приводити до руху заслінку дифузорів лазерних трансформаторів 37. Вона починає провертатися проти годинникової стрілки, якщо дивитися зі сторони турбокомпресора, на кут приблизно рівний тридцяти градусам. В кінці даного повороту три вхідних дифузора 35 лазерних трансформаторів опиняються закритими, Фіг. 8. На даному кресленні лазерні трансформатори із закритими дифузорами зображені пунктирними лініями. Стиснуте компресором повітря крізь ці трансформатори не проходить. Відповідно електролізні апарати, високовольтні конденсатори та конденсатори ламп накачки лазерів цих трансформаторів вимикаються. Політ відбувається при трьох вимкнутих лазерних трансформаторах, що дозволяє економити важку воду. При зниженні літального апарата заслінка дифузорів лазерних трансформаторів 37 повертається у початкове положення, а три вимкнутих лазерних трансформатори знову вмикаються. Будова лазерного трансформатора, турбореактивного термоядерного двигуна та принцип їх роботи пояснюються кресленнями, на яких зображено: на Фіг. 1 - розріз лазерного трансформатора вздовж катода та анода; на Фіг. 2 - розріз дзеркал лазерного трансформатора (збільшено); на Фіг. 3 - передня частина турбореактивного термоядерного двигуна у розрізі; на Фіг. 4 - середня частина турбореактивного термоядерного двигуна у розрізі; на Фіг. 5 - задня частина турбореактивного термоядерного двигуна у розрізі; на Фіг. 6 - розріз турбореактивного термоядерного двигуна по С-С; на Фіг. 7 - розріз турбореактивного термоядерного двигуна по D-D, із шістьома лазерними трансформаторами у злітному режимі; на Фіг. 8 - розріз турбореактивного термоядерного двигуна по D-D, із шістьома лазерними трансформаторами в польоті на висоті. Використання турбореактивного термоядерного двигуна замість турбореактивного двигуна та термоядерного двигуна внутрішній реакції дає можливість відмовиться від дорогого вуглеводневого палива та збільшити комерційну загрузку літального апарата із одночасним збільшенням дальності польоту. Використання турбореактивного термоядерного двигуна замість парових турбін на теплоелектростанціях та атомних станціях дозволить суттєво здешевити електроенергію. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Турбореактивний термоядерний двигун, який являє собою турбореактивний двигун із трубчастими камерами згоряння, який відрізняється тим, що замість трубчастих камер згоряння змонтовані лазерні установки, а саме лазерні трансформатори, у яких керамічні ізолятори катодів оснащено отворами для потрапляння стиснутого повітря у внутрішню порожнину робочого тіла лазерного трансформатора, всередині якої знаходиться трубчаста частина керамічного ізолятора, всередині якої знаходиться отвір для підводу суміші гідрогену та дейтерію та катод із розігрівом, а також анод, який знаходиться між трубчастою частиною керамічного ізолятора та пристроєм заломлюючим, оснащеним отвором для виходу розігрітого, в наслідок реакції термоядерного синтезу, повітря. 4 UA 96500 U 5 UA 96500 U 6 UA 96500 U 7 UA 96500 U 8 UA 96500 U 9 UA 96500 U 10 UA 96500 U 11 UA 96500 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 12